CN103528023B - 一种高光利用率导光管的设计方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光利用率导光管的设计方案，主要由主光管、多个的分支管、收集光管和汇聚透镜组成。光源发出的光线通过分支管汇集到主光管，再经过会聚透镜后照射到DMD上，被数字微镜“关态”反射的多余的光线被聚光器收集后，通过收集光管又重新回到主光管中。通过计算确定收集光管最大收集率时满足的条件。本设计方案的有益效果是：1.满足所给条件的收集光管能达到最好的收集效率，提高了光利用率，降低了系统的热量，延长了系统的寿命，更加经济实用；2.多个分支管可以满足多个光源同时传输，更好的与LED光源匹配；3.用光学粘合剂将汇聚透镜和主光管粘合在一起，减少光线在传输过程中的损失。

Description

一种高光利用率导光管的设计方案

技术领域

本发明总地涉及导光管，并且尤其涉及一种具有分支结构的高光能利用率的导光管。

背景技术

导光管已经被广泛的应用到投影仪，扫描仪等各种电子产品中。

数字光处理(DigitalLightProcessing)投影系统,简称DLP投影系统，采用数字光处理技术，具有高清晰度、图像无缝、经济性高等优点，已经成为市场上主流的投影系统。数字光处理投影系统的核心元件是数字微镜元件（DigitalMicromirrorDevice），简称为DMD。它在一个芯片上集成了几百万个微镜，由微控制器控制，在电子开关的作用下，每个微镜都可独立高频翻转到正向、反向两个位置，微控制器通过脉冲宽度大小来控制每个微镜翻转后保持的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。

在传统的数字光处理投影系统中，光线是通过导光管传输的，导光管具有均匀光束的作用，能够保证照射到DMD上的光线是均匀光线。当DMD上的微镜处于正向时，即“开态”，光线被反射到投影屏幕上；但是当DMD上的微镜处于反向时，即“关态”，光线就不能够到达投影屏幕了，这部分光线是多余的，一般采用吸收体将这部分光线吸收。这样做的缺点有两个：一是这部分光线被白白浪费了，光利用率低；二是多余的光线被吸收体吸收后会产生热量，不利于系统整体散热。传统投影系统中的光源一般采用单光源发光，但是随着技术不断的进步，LED光源以它体积小、寿命长、环保节能、设计自由度大等优点逐步取代传统的光源。由于LED单颗光通量不足，往往采用多颗LED光源来满足系统的光通量要求，那么传统的导光管就与LED光源无法匹配。所以在传统的数字光处理投影系统中，迫切需要一种既能满足多光源同时传导，又能将DMD反射的多余光束回收利用的导光管。

现有的技术不能实现以上功能，如申请号为“201020126921.X”，名称为“一种玻璃镜面导光管”的中国专利，提出一种高性能低造价的导光管，但是该导光管仅仅只能实现单光源光线的直线传导，不能实现多光源同时传导以及收集DMD反射的多余光线。

申请号为“01252803.X”，名称为“导光装置”的中国专利，以及申请号为“200420095017.1”，名称为“导光管”的中国专利，分别提出一种弧形和弯形的导光管，虽然它们能够实现单光源光线方向的改变，但是只能传导单光源发出的光线，也不能实现多光源同时传导以及收集DMD反射的多余光线。

申请号为“200910300907.9”，名称为“导光管及导光装置”的中国专利，提出具有一个出光端及多个分支管的导光管，可以实现多个光源同时传输；申请号为“201110107888.5”，名称为“单LED双导光管”的中国专利，提出了单光源发出的光束分到多个导光管中去。上述的两种方法都无法实现对DMD反射光线的回收利用。

在上述技术中，第一种导光管只能实现单光源直线传导，适用范围太窄；第二种和第三种导光管实现了光线传导方向的改变，但是不能满足LED作为光源的系统；第四种导光管实现了多光源同时传导，第五种导光管实现了单光源分流传导，但是对于具有数字微镜元件的系统，它们都不能回收利用数字微镜反射的多余光线，光利用率低。因此在数字光处理投影系统以及其它具有导光管和数字微镜元件的光学系统中，迫切需要一种既能实现多光源同时传输，又能将数字微镜元件反射的多余光线回收利用的导光管。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了一种高光利用率导光管的设计方案。

本发明通过下述方案来解决上述问题：

一种高光利用率导光管的设计方案主要由主光管、多个的分支管、收集光管和汇聚透镜组成，光源发出的光线通过分支管汇集到主光管，再经过会聚透镜后照射到数字微镜元件上，被数字微镜“关态”反射的多余的光线被聚光器收集后，通过收集管又重新回到主管光中，收集光管由四部分组成：与主光管的连接部分、弧形部分、平直部分和复合抛物面聚光器，通过计算确定收集光管最大收集率时满足的条件；

收集光管四个部分共用同一条光轴；

导光管发生全反射的临界角是，主光管与收集光管连接部分的夹角是，弧形部分的弧度为，复合抛物面聚光器的最大收集角为，直线部分与水平面的夹角为，所有的角度都用弧度单位；

收集光管满足的条件：；

收集光管弧形部分的弧度满足：；

复合抛物面聚光器最大收集角满足的条件：；

复合抛物面聚光器的收集面正对着被数字微镜“关态”反射的光线；

收集光管的数量可以是一个，也可以使多个，具体数量由数字微镜元件的尺寸和数量决定；

分支管的数目由光源的数量和总光通量决定；

汇聚透镜和主光管用光学粘合剂粘合在一起。

本设计方案与现有技术相比，有益效果是：1.满足上述条件的收集光管能达到最好的收集效率，提高了光利用率，降低了系统的热量，延长了系统的寿命，更加经济实用；2.多个分支管可以满足多个光源同时传输，更好的与LED光源匹配；3.用光学粘合剂将汇聚透镜和主光管粘合在一起，减少光线在传输过程中的损失。

附图说明

图1是整体光路示意图。

图2是复合抛物面聚光器的示意图。

图3是复合抛物面聚光器收集光线的示意图。

图4是收集光管收集光线的示意图。

图5是收集光管收集光线的另一个示意图。

图6是收集光管弧形部分示意图。

图7是汇聚透镜的示意图。

图中1.分支管，2.主光管，3.光轴，4.收集光管与主光管连接部分，5.收集管的弧形部分，6.收集光管的平直部分，7.复合抛物面聚光器，8.汇聚透镜，9.微镜，10.微镜初始位置，11.入射面，12出射面，13.法线。

具体实施方式

下面结合附图和实例讲述具体实施方案。

参照图1，在本实施例中，有三个LED光源发出的光线经三个分支管汇聚后进入主光管，经主光管匀光后，出射光线通过汇聚透镜照射到数字微镜元件上。微镜在+12度和-12度两个位置快速翻转，当微镜翻转到+12度时，光线被反射到投影屏幕上面；当微镜翻转到-12度时，光线被反射到复合抛物面聚光器上，聚光器将光线收集起来，光线通过收集光管重新回到主光管中，光线完成循环利用。

在具体实施中，采用其他角度的数字微镜元件也是可以的，比如微镜的翻转角度为±10度。

图2是复合抛物面聚光器的示意图。复合抛物面聚光器（CompoundParabolicConcentrator），简称CPC,是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，入射光在CPC中通过反射到达接收表面，达到最大理论聚光比，性能非常接近于理想聚光器。入射面半径为a，出射面半径为b，那么CPC的最大收集角满足：。如果入射光线与光轴的夹角大于，光线将被CPC反射回去，不能被收集；如果入射光线与光轴的夹角小于，光线可以被CPC收集。光线与光轴的夹角越大，被收集光线的均匀性越低，所以应该将复合抛物面聚光器的收集面正对着被数字微镜“关态”反射的光线，这样保证被收集光线的均匀性高。

参照图3，在本实施例中，一条光线入射到CPC上，与光轴的夹角为CPC的最大收集角，光线正好被收集，经过一次反射后进入导光管中，光线与导光管光轴的夹角也为。这条光线能够在导光管中传输的条件是在导光管中发生全反射，即，即聚光器的最大收集角要满足的条件为：

图4是收集光管收集光线的示意图。导光管具有不改变入射光线与光轴夹角的性质，如图4，入射光线在进光口处于光轴的夹角为，光线经过导光管的传输后，在出光口与光轴的夹角仍然为。

参照图5，在本实施例中，收集光管由四部分组成:与主光管的连接部分、弧形部分、平直部分和复合抛物面聚光器。导光管发生全反射的临界角是，主光管与收集光管连接部分的夹角是，弧形部分的弧度为，复合抛物面聚光器的最大收集角为，直线部分与水平面的夹角为。一束光线与光轴的夹角为聚光器的最大收集角，恰好被聚光器收集，进入导光管中，导光管本身具有不改变光线与光轴夹角的性质，即以进入导光管，还以出导光管。这条收集的光线如果能被利用的话，那么要求它进入主光管中要能发生全反射。光线在主光管中的入射角要大于临界角，即在三角形ABC中，要大于，即。

所以收集光管要满足的条件是：。

图6是收集光管弧形部分示意图。其中，。那么弧形部分的弧度。由此可见收集光管弧形部分的弧度由和共同决定，弧度越小光损耗越少，在保证收集效率的前提下，增大或者减小可以减少光损耗。

图7是汇聚透镜的示意图。汇聚透镜用光学粘合剂粘连在主光管上，减少光线在传播过程中的损失。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及功效，以及部分的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高光利用率导光管，该导光管主要由主光管、多个的分支管、收集光管和汇聚透镜组成，光源发出的光线通过分支管汇集到主光管，再经过会聚透镜后照射到数字微镜元件上，被数字微镜“关态”反射的多余的光线被聚光器收集后，经过收集光管的传导又重新回到主管光中，收集光管由四部分组成：与主光管的连接部分、弧形部分、平直部分和复合抛物面聚光器，通过计算确定收集光管最大收集率时满足的条件，其特征是：

收集光管四个部分共用同一条光轴；

导光管发生全反射的临界角是θ₀，主光管与收集光管连接部分的夹角是θ₁，弧形部分的弧度为θ_2，复合抛物面聚光器的最大收集角为θ_max，平直部分与水平面的夹角为θ₃，所有的角度都用弧度单位；

收集光管满足的条件：

收集光管弧形部分的弧度θ₂满足：θ₂＝π-θ₁+θ₃；

复合抛物面聚光器最大收集角满足的条件：

复合抛物面聚光器的收集面正对着被数字微镜“关态”反射的光线；

收集光管的数量为一个或多个，具体数量由数字微镜元件的尺寸和数量决定；

分支管的数目由光源的数量和总光通量决定；

汇聚透镜和主光管用光学粘合剂粘合在一起。